正所谓“一夜成名天下知”，在过去的30年间，快速成型技术在传统工业制造方式的挤压下，只能蜷缩在制造业的某些角落。然而今天，在开源运动的助推下，硬件作为软件的附属已变得十分廉价，3D打印技术也因此迎来了它的高速发展期。各种桌面型3D打印设备层出不穷，在网上搜索“3D打印机”，会浏览到数以万计的相关内容。从MakerBot、Ultimaker这些优秀的桌面型3D打印机到提供给电子爱好者的各种开源硬件，这些神奇的东西终将改变我们未来的生活。
喜欢尝鲜的笔者老早就购置了一台3D打印机，这款打印机采用的是相对成熟的FDM技术，据说，它是目前市场上最可靠的桌面型3D打印机。材料使用的是廉价的环保可降解丝材PLA。

图1 笔者使用的MakerBot 3D打印机

从第一次开始打印，笔者就深深的爱上了这台3D打印机。有了它，自己再也不必为了满屋翻找合适的零部件。一般的外壳与支撑结构、通孔，甚至是关键的连接件，只要是经过合理的设计，都可以一次打印搞定。把笔者从锯条、电钻、手锉的原始DIY生活中解放出来了，几乎实现了从设计到制造的一体化，省时又省力。我们姑且不谈什么产业链、什么生态圈，就以上的几个优点，笔者发自肺腑的告诉你：“3D打印机，值得拥有”。
笔者在万圣节来临之际，想给好友DIY一个小礼物。整个礼物的外壳都是这台MakerBot 3D打印机的杰作，透过本书，我会将这个小礼物的制作全过程，向你娓娓道来。

骷髅精灵——3D打印与Arduino完美结合

说了半天3D打印，其实它早已是开源领域的一个热议话题；而Arduino，则是流行已久的简单、易用的开发板。这两款神器落在热衷于改变生活的笔者手里，会创造出怎样的惊喜呢？下面就和大家一起分享用3D打印机+Arduino控制器+避障传感器等部件制作的一款新奇小礼物：放置在盒子上的一个灵异骷髅头，我喜欢叫它“骷髅精灵”。在内部Arduino的控制下，它的两个眼睛会随时盯着面前的你！拿它当作万圣节礼物送给朋友一定搞怪。.
为了制作这样一个诡异的万圣节礼物，笔者想起了早先在Thingiverse下载的骷髅模型。打算以它为蓝本，进行一番Arduino电控改造。首先，把模型文件放入MakerWare中，配置为低精度打印，等待Gcode生成完毕，存入SD卡，开始打印。

图2 模型放入MakerWare中

接下来，还要为这个骷髅头设计两个炯炯有神的大眼睛，在SolidWorks里，我们直接为眼球添加一个安装孔，直接3D打印出来，省去了后续的钻孔操作。当然，如果前期，孔的大小不是很确定，也可以先在Solidworks里随便开一个小孔，这样后期用电钻扩孔会很方便。

图3 Solidworks绘制骷髅眼球

为了礼品的美观，我们还需要绘制一个外壳，即能够做为承托骷髅头的底座，也能够安置我们的Arduino控制板。

图4 用SolidWorks绘制骷髅头底座

图5 3D打印骷髅模型过程

嗯，不错。这些结构零部件就先交给3D打印机来加工吧。想让骷髅精灵的眼球盯着面前的人转动起来，除了“眼球”相关机构的设计外，更重要的是电控部分的程序设计。接下来给大家说明下它的电路控制部分的组成。

眼睛转起来——控制板与传感器挑选

为了实现让骷髅精灵的眼睛盯着面前物体移动，我们需要一些能够检测面前障碍物的传感器，除此之外是一种能够带动眼睛转动的电机。最重要的是控制核心板，由它来接收传感器信号，执行特定程序，最终驱动控制电机运动，实现我们想要的功能。别急，笔者这就为大家慢慢介绍自己的硬件搭配方案。
控制器：身为一个电子制作迷，笔者一定会选择Arduino系列控制器，因为它简单易用、方便可靠；不过考虑到如今许多人身边都闲置有Micro-USB接口的手机数据线，笔者要给大家推荐的是一款配备Micro USB接口的CarDuino UNO控制器。它的功能与Arduino UNO完全一致，但板上的Micro USB接口会为你省去购买数据线的开销，板子更强，接口标注更清晰。

图6 CarDuino UNO 控制器

CarDuino UNO控制器的基本参数
控制芯片 ATmega328
运行电压 5V
输入电压 7-12V
数字I/O口 14个（6路具备PWM功能）
模拟输入口 6个
Flash空间 32KB（0.5KB被bootloader使用）
SRAM 2KB
EEPROM 1KB
时钟频率 16MHz
数据接口 Micro-USB

驱动电机：骷髅头的两只眼睛需要能够转动，不过这里携带的负载质量小，且转向始终是同步的，笔者选用了一个小巧的9g伺服舵机，至于具体的传动结构，就留到后面详细叙述。

图7微型伺服舵机

避障传感器：检测面前物体的传感器，笔者将用到的是一种Mini红外避障传感器，它板载两个电位器，一个调节感应范围、一个调节灵敏度，能够适应环境，灵活易用。

图8 Mini红外避障传感器

为了我们的小制作更加美观，笔者也特别地为Mini红外避障传感器设计了外壳，一起交给3D打印机来加工。

图9  3D打印的红外避障传感器外壳

传感器扩展板：由于手头恰好有一块传感器扩展板，笔者也就懒得用多余的杜邦线了，直接把传感器与舵机的3P接线头插接在该扩展板上对应接口上即可。

图10传感器扩展板

所需要的电路元件已经选择好了，接下来只要把UNO扩展板插接在CarDuino UNO上，四个红外避障传感器分别连接在扩展板的数字2、数字3、数字4、数字5接口，舵机连接在数字9接口，下面罗列电路控制方面的基本硬件构成：

图11 硬件构成框图

眼睛转起来——机械结构设计

接下来着重介绍下眼睛动作的机械结构。本着一切从简的目的，这次笔者并没有打算使用3D打印机来加工复杂的机械传动结构。而是找来两个废弃的按动式圆珠笔，发挥我们的优良传统：拆！
把其中的两根圆珠笔芯当做骷髅精灵眼睛的转轴，笔芯从骷髅的眼眶下方穿出，圆珠笔芯则方便的与“眼球”穿接。这样，圆珠笔芯一旋转，就会带动眼球一起旋转。

图12 “眼睛”旋转的机械结构

两根转轴的同步横轴也是用的笔芯，连接销用的是订书钉。这样，这根横轴摆动的同时，就会间接带动上面的两个眼球转动。试图用舵机的摇臂直接与同步横轴相连时，笔者犯了难。因为舵臂转动受限，转角稍有不慎，舵机动作就会卡住，容易损害舵机。看着桌面上多余的两个弹簧，笔者当时灵机一动。把这其中一个拆出的弹簧拿来，套在同步横轴上，摇臂连接到弹簧，间接带动同步横轴。舵机转动过量时，不会卡死，而是压缩弹簧。

图13 舵机带动“眼球”转动的机械结构

好了，一个由舵机摆动进而带动两个眼球左右转动的机械结构设计完成，然后安上后盖。

图14 初步组装好的骷髅精灵

骷髅精灵之灵魂——Arduino程序编写

硬件与机械结构制作完成了，赶快来写程序吧，这个可是笔者的强项。思考下，程序要实现的功能是：当人走进骷髅精灵的“视力范围”时，它的眼睛就会盯向你，并且随着你的移动而转动。因为功能简单，程序写起来也不难，基本逻辑就是，哪个红外避障传感器检测到障碍物，就让舵机旋转到特定角度，好让骷髅的眼睛盯向那一方向。不过要考虑好细节，比如有两个人或很多人围着骷髅精灵，也就是多个红外避障传感器被同时触发时，它该看谁呢？看美女吗？我是让它谁也不看，目视前方，哈哈。话不多话，给大家看下四个红外避障传感器的布置以及程序的控制流程。

图15 四个红外传感器部署位置与对应序号

图16 程序流程图

图17 程序编译通过，准备下载

骷髅变精灵——大功告成

到此为止，我们的骷髅精灵就已经大功告成了。笔者第一次弄时，刚开始效果很不理想，眼睛不是盯着不动，就是一直在疯狂的乱抖，很难停下来。原因是红外传感器对障碍物过于敏感。这时需要依照环境特点做灵敏度校正。如果你觉得感应距离不合适，也应该适当调整感应距离大小。
眼睛转动范围调整完毕，线路摆好，就可以合盖，在装进万圣节礼物包之前可以畅快的试玩啦！

图18  骷髅精灵整体展示

经过一上午的努力，一个死寂的骷髅头模型终于变成了一个活灵活现会动的精灵。笔者不禁感慨，每天为了工作而忙碌，生活有时也会变得枯燥乏味。当意志消沉无聊的时候，打开桌上的电脑，拿起Arduino写个小程序，通过3D打印机，动动手，很容易就会变废为宝，制作出各种各样有趣新奇的作品，笔者希望抛砖引玉，带给大家一些创作灵感，同时也期望大家都能开源无私分享。

欢迎扫描二维码，观看骷髅精灵实际试玩的效果视频并下载本文附带程序。